Redes Inalámbricas y Movilidad REDES INALAMBRICAS Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Sumario LANs inalámbricas: IEEE 802.11 y 802.15 Redes de telefonía celular: GSM, GPRS, UMTS IP móvil Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad LANS Inalámbricas Comparación tecnologías, historia y Modelo de Referencia Nivel físico Nivel MAC Ejemplos de aplicación Puentes inalámbricos Bluetooth (IEEE 802.15) Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Comparación tecnologías inalámbricas móviles Tipo de red WWAN (Wireless WAN) WLAN (Wireless LAN) WPAN (Wireless Personal Area Network) Estándar GSM/GPRS/UMTS IEEE 802.11 IEEE 802.15 (Bluetooth) Velocidad 9,6/170/2000 Kb/s 1-2-11-54 Mb/s(*) 721 Kb/s Frecuencia 0,9/1,8/2,1 GHz 2,4 y 5 GHz Infrarrojos 2,4 GHz Rango 35 Km 70 - 150 m 10 m Técnica radio Varias FHSS, DSSS, OFDM FHSS Itinerancia (roaming) Sí No Equivalente a: Conexión telef. (módem) LAN Cables de conexión En esta tabla se comparan las diversas tecnologías utilizadas para transmitir datos entre estaciones móviles. En primer lugar tenemos las WWAN (Wireless WAN) formadas por los sistemas de telefonía celular. GSM, el más antiguo, es una tecnología de conmutación de circuitos pensada fundamentalmente para voz, que permite velocidades de tan solo 9,6 Kb/s. Su sucesor es GPRS, que se está empezando a implementar en España. GPRS es un servicio pensado para datos que permite llegar a velocidades de hasta 170 Kb/s usando la misma infraestructura que GSM pero de una forma mucho más eficiente. La verdadera revolución en este campo será UMTS, que promete llegar a 2 Mb/s. El alcance máximo de estas tecnologías es de unos 35 Km en condiciones óptimas, aunque normalmente es mucho menor. 35 Km es la distancia máxima que se contempla en los retardos al diseñar una red GSM. A continuación tenemos las WLAN (Wireless LAN) basadas en el estándar 802.11. Este estándar se ha ido mejorando por medio de sucesivas ampliaciones que han permitido incrementar su velocidad de los 1-2 Mb/s originales a los 11-54 Mb/s actuales. Según la velocidad de transmisión estas redes pueden tener un alcance de hasta unos 70 a 150 m. En el rango menor de todos se encuentran las denominadas WPAN (Wireless Personal Area Network) que son redes de muy corto alcance (10 m). Esta categoría viene representada fundamentalmente por los productos Bluetooth que siguen el estándar IEEE 802.15. Estas redes usan ondas de radio con el sistema denominado FHSS. (*) Las velocidades bajas (1-2 Mb/s) corresponden a la norma 802.11 antigua Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Alcance de las ondas de radio en función de la frecuencia Enlace punto a multipunto (antena omnidireccional) Enlace punto a punto (antena direccional) Como nos muestra esta figura el alcance de las señales de radio disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Otro factor que influye en el alcance es el uso de antenas direccionales, que permite concentrar el haz de emisión electromagnética en una dirección concreta. Alcance (Km) Alcance (Km) Ampliación Redes

Historia de las WLAN (Wireless LANs) Redes Inalámbricas y Movilidad Historia de las WLAN (Wireless LANs) Fecha Evento 1986 Primeras WLANs. 900 MHz (860 Kb/s). No disponible en Europa. 1993 WLANs de 1 y 2 Mb/s en banda de 2,4 GHz. Primeras disponibles en Europa 7/1997 IEEE aprueba 802.11. 1 y 2 Mb/s. Banda de 2,4 GHz e infrarrojos. 1998 Primeros sistemas de11 Mb/s a 2,4 GHz. Preestándar 802.11b. 9/1999 IEEE aprueba 802.11b (hasta 11 Mb/s, 2,4 GHz) y 802.11a (hasta 54 Mb/s, 5 GHz, no disp. en Europa) 12/2001 Primeros productos comerciales 802.11a Borrador 802.11e (QoS en WLANs) 2003 IEEE aprueba 802.11g (hasta 54 Mb/s, 2,4 GHz) Los primeros sistemas LAN inalámbricos datan de 1986. Estos sistemas eran propietarios, toda la infraestructura de radio tenía que se suministrada por el mismo fabricante. El servicio que ofrecían era de baja velocidad. En 1993 aparecieron sistemas de mayor capacidad que funcionaban en la banda de 2,4 GHz. El IEEE aprobó la norma 802.11 en julio de 1997. En ella se especificaba el funcionamiento de LANs inalámbricas de 1 y 2 Mb/s en la banda de radio de 2,4 GHz y mediante infrarrojos. En 1998 aparecieron en el mercado los primeros sistemas que funcionaban a 11 Mb/s, siguiendo el borrador de la norma 802.11b, que fue finalmente aprobada en septiembre de 1999, junto con la 802.11a que especifica el funcionamiento en la banda de 5 GHz a velocidades de hasta 54 Mb/s. A diferencia de lo que ocurrió con 802.11b hasta diciembre de 2001 no aparecieron en el mercado productos conformes con la norma 802.11a. Diversos grupos de trabajo del comité 802.11 se encuentran trabajando en otras ampliaciones y mejoras a la norma. Entre ellos cabe destacar el 802.11e, que especifica mecanismos de calidad de servicio en WLANs y que recientemente ha publicado un borrador, y el 802.11g que especifica el funcionamiento de velocidades de hasta 54 Mb/s en la banda de 2,4 GHz y que se prevé publique un borrador en el segundo semestre del 2002. Ampliación Redes

Modelo de Referencia de 802.11 Redes Inalámbricas y Movilidad Modelo de Referencia de 802.11 Subcapa LLC Subcapa MAC: Acceso al medio (CSMA/CA) Acuses de recibo Fragmentación Confidencialidad (WEP) Capa de enlace PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) Capa física PMD (Physical Media Dependent) La norma 802.11 sigue el mismo modelo o arquitectura de toda la familia 802, es decir especifica la capa física y la subcapa MAC de la capa de enlace. En la capa física se distinguen dos subcapas. La inferior, llamada PMD (Physical Media Dependent), corresponde al conjunto de especificaciones de cada uno de los sistemas de transmisión a nivel físico. La subcapa superior, PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) se encarga de homogeneizar de cara a la capa MAC las peculiaridades de las diversas especificaciones de la subcapa PMD. En la subcapa MAC se especifica el protocolo de acceso al medio propiamente dicho, así como una serie de peculiaridades propias de redes inalámbricas como son el envío de acuses de recibo (ACK), la posibilidad de realizar fragmentación de las tramas y los mecanismos de encriptación para dar confidencialidad a los datos transmitidos. Infrarrojos FHSS DSSS OFDM Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad LANs Inalámbricas Comparación tecnologías, historia y Modelo de Referencia Nivel físico Nivel MAC Ejemplos de aplicación Puentes inalámbricos Bluetooth (IEEE 802.15) Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Nivel físico en 802.11 Infrarrojos: solo válido en distancias muy cortas y en la misma habitación Radio: FHSS (Frequency Hoping Spread Spectrum): Sistema de bajo rendimiento, poco utilizado actualmente. DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): Buen rendimiento y alcance. El más utilizado hoy en día. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): Usa banda de 5 GHz (menor alcance que 2,4 GHz). Solo permitida en EEUU y Japón. Los equipos que utilizan diferentes sistemas no pueden interoperar entre sí. No hay equipos ‘multisistema’ (la etapa de radio es diferente en cada caso). La transmisión por infrarrojos en 802.11 es solo posible en distancias muy cortas (10-20m) y dentro de una misma habitación, aunque no es necesaria la visión directa entre equipos para su funcionamiento. En cuanto a los sistemas de radio hay tres posibilidades, que difieren en la forma como manejan la banda de frecuencias disponible. El sistema más antiguo es el FHSS, que funciona a 2,4 GHz. Este sistema ha caído en desuso, aunque existen equipos funcionando en muchas instalaciones. El DSSS también funciona a 2,4 GHz, es más moderno y consigue un mayor rendimiento que FHSS. Es el más utilizado actualmente. OFDM es el sistema más moderno y de mayor rendimiento. Corresponde al suplemento 802.11a de la norma. Su implantación en el mercado es muy reciente (diciembre de 2001) y funciona en la banda de 5 GHz, cuyo uso con equipos 802.11 solo está autorizado de momento en EEUU, por lo que no está disponible en Europa. Ampliación Redes

Medios del nivel físico en 802.11 Redes Inalámbricas y Movilidad Medios del nivel físico en 802.11 Medio físico Infrarrojos FHSS DSSS OFDM Banda 850 – 950 nm 2,4 GHz 5 GHz Velocidades* (Mb/s) 1 y 2 (802.11) 1, 2 (802.11) 5.5, 11 (802.11b) 6, 9, 12, 18, 22, 24, 33, 36, 48 y 54 (802.11g) 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 (802.11a) Alcance (a vel. Max.) 20 m 150 m 30 m (802.11b) 5 m Utilización Muy rara Poca. A extinguir Mucha Poca Características No atraviesa paredes Interferencias Bluetooth y hornos microondas Buen rendimiento y alcance Solo en EEUU y Japón En esta tabla se muestran las características de las diferentes especificaciones de la subcapa PMD en 802.11. En cada caso se especifican una serie de velocidades posibles, algunas de las cuales son obligatorias y otras opcionales Los medios físicos son incompatibles entre sí, por ejemplo un sistema de radio DSSS no puede comunicarse con uno OFDM. Incluso FHSS y DSSS son incompatibles, aunque ambos utilicen la misma banda de frecuencias, ya que organizan los canales de modos completamente diferentes. Dentro de un mismo medio físico los equipos pueden interoperar, aunque no siempre puedan hacerlo con todas las posibilidades. Por ejemplo un equipo DSSS de nueva generación (802.11b) puede funcionar a 11, 5,5, 2 y 1 Mb/s, pero si se comunica con un equipo DSSS de primera generación (802.11 del 97) solo podrá hacerlo a 2 o 1 Mb/s. La situación es similar a lo que ocurre en Ethernet, donde un equipo 1000/100/10BASE-T puede interoperar con otro de velocidad inferior, pero no con otro de diferente medio físico (por ejemplo no con uno 100BASE-F). * Las velocidades en negrita son obligatorias, las demás son opcionales Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Velocidad en función del alcance para 802.11 Las diversas velocidades o capacidades se consiguen con modulaciones más complejas, que permite meter mayor cantidad de información sin aumentar la anchura del canal. Para utilizar las capacidades más elevadas es preciso disponer de una señal de gran calidad. Cuando aumenta la distancia entre emisor y receptor disminuye la potencia de la señal recibida, con lo que la relación señal/ruido disminuye. De esta forma llega un momento en el que es preciso cambiar a una modulación más pobre pero más resistente a ruidos. Por tanto existe una relación inversa entre la velocidad y la distancia, a mayor distancia menor velocidad. Cuando el emisor y el receptor se alejan la velocidad se ajusta automáticamente. En esta gráfica se muestra a título orientativo la velocidad en función del alcance para una situación típica en interior de oficina en el caso de OFDM (5 GHz) y de DSSS (2,4 GHz). Como puede verse OFDM consigue una velocidad mayor que DSSS en todos los casos, a pesar de que por utilizar una frecuencia mayor la señal de radio tiene en principio un alcance menor. Valores medios para interior en ambientes de oficina. En exteriores los alcances pueden ser hasta cinco veces mayores. El alcance real depende del entorno. Los equipos se adaptan automáticamente a la máxima velocidad posible en cada caso Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Espectro electromagnético La mayor parte del espectro radioeléctrico está regulada por la ITU-R y se requiere licencia para emitir La ITU-R divide el mundo en tres regiones, Europa es la región 1. Cada una tiene una regulación diferente de las frecuencias (http://www.itu.int/brfreqalloc/). Algunos países tienen normativas propias más restrictivas (ver p. ej. http://www.setsi.mcyt.es). Como no sería práctico pedir licencia para cada WLAN el IEEE decidió asignar para esto algunas de las bandas ISM (designadas para aplicaciones de tipo industrial-cientifico-médico, Industrial-Scientific-Medical). Las frecuencias exactas de la banda ISM difieren para cada región, e incluso para algunos países. Ampliación Redes

Bandas designadas por la ITU para aplicaciones ISM Redes Inalámbricas y Movilidad Bandas designadas por la ITU para aplicaciones ISM Banda Anchura Uso en WLAN 13 553 – 13 567 kHz 14 kHz No 26 957 – 27 283 kHz 326 kHz 40.66 – 40.7 MHz 40 kHz 902 – 928 MHz* 26 MHz Sistemas propietarios antiguos (solo en EEUU y Canadá) 2 400 – 2 500 MHz 100 MHz 802.11, 802.11b, 802.11 g 5 725 – 5 875 MHz 150 MHz 802.11 a 24 – 24.25 GHz 250 MHz En esta tabla se muestran cuales son las bandas de frecuencias designadas por la ITU para aplicaciones industriales, científicas y médicas. Dos de estas bandas (2,4 y 5 GHz) son las que se utilizan actualmente para aplicaciones de redes locales inalámbricas. La banda de 902 MHz (que solo está disponible en la región 2 de la ITU, EEUU y Canadá) se utilizó en los primeros sistemas propietarios de LANs inalámbricas. * Solo autorizada en región 2 (EEUU y Canadá) Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Espectro Disperso Para reducir la interferencia en la banda de 2,4 GHz las emisiones de más de 1 mW se han de hacer en espectro disperso Hay dos formas de hacer una emisión de espectro disperso: Frecuency Hopping (salto de frecuencia). El emisor va cambiando continuamente de canal. El receptor ha de seguirlo. Direct Sequence (secuencia directa). El emisor emplea un canal muy ancho. La potencia de emisión es similar al caso anterior, pero al repartirse en una banda mucho mas ancha la señal es de baja intensidad (poca potencia por Hz). Dado que la banda de 2,4 GHz está disponible sin licencia para todo el que desee emitir en ella, es preciso adoptar algunas precauciones que eviten una excesiva interferencia entre emisiones. Por este motivo se establece que cualquier emisión con una potencia superior a 1 mW debe hacerse en espectro disperso. Ampliación Redes

Frequency Hopping vs Direct Sequence Redes Inalámbricas y Movilidad Frequency Hopping vs Direct Sequence 2,4835 GHz 2,4835 GHz C. 78 C. 73 Canal 13 C. 58 Frecuencia Frecuencia C. 45 20 ms Canal 7 Interferencia Interferencia C. 20 22 MHz Canal 1 1 MHz C. 9 2,4 GHz 2,4 GHz Tiempo Tiempo Frequency Hopping Direct Sequence En Frequency Hopping el emisor está cambiando de canal continuamente. Por ejemplo en el caso de 802.11 la banda de 2,4 GHz se divide en 79 canales contiguos no solapados de 1 MHz de anchura cada uno. El emisor cambia de canal 50 veces por segundo, siguiendo una secuencia pseudoaleatoria preestablecida, que utiliza por igual todos los canales. El receptor conoce la secuencia de canales que utiliza el emisor, y la sigue también. En caso de que un agente externo produzca una interferencia esta afectará a algún canal o canales en concreto; si alguna de las emisiones coincide con la interferencia el receptor no podrá separar la señal del ruido y la trama no será recibida. En ese caso el emisor retransmitirá la trama, confiando que en el siguiente intento no coincida la interferencia con ninguno de los canales utilizados. En Direct Sequence el emisor emplea un canal mucho más ancho de lo que en principio le haría falta para el caudal de datos que desea enviar. Los datos se transforman antes de enviarlos dando lugar a una secuencia de símbolos que contiene mucha redundancia; el número de bits enviados realmente es muy superior a la la tasa real de bits transmitidos. Esta redundancia se construye de tal manera que el receptor es capaz de regenerar los datos originales aun en el caso de que se presente una interferencia dentro del canal, siempre y cuando la interferencia sea de una anchura relativamente pequeña. El emisor cambia de canal continuamente (unas 50 veces por segundo) Cuando el canal coincide con la interferencia la señal no se recibe; la trama se retransmite en el siguiente salto El canal es muy ancho; la señal contiene mucha información redundante Aunque haya interferencia el receptor puede extraer los datos de la señal Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Frequency Hopping vs Direct Sequence Ampliación Redes

Frequency Hopping vs Direct Sequence Redes Inalámbricas y Movilidad Frequency Hopping vs Direct Sequence 1 MHz 100 Potencia (mW/Hz) Potencia (mW/Hz) 22 MHz 5 Frecuencia (MHz) Frecuencia (MHz) Esta figura explicar de forma simplificada la diferencia entre Frequency Hopping y uno de Direct Sequence. En el caso de FH toda la potencia de emisión (100 mW) se concentra en una franja estrecha del espectro, mientras que en DS se reparte en un rango mucho mas amplio. Sin embargo la potencia emitida en ambos casos es similar (en el ejemplo los 100 mW máximos permitidos en Europa). En el caso de FH tenemos una señal de banda estrecha pero de gran intensidad, lo cual da una elevada relación señal/ruido. De acuerdo con el teorema de Nyquist un canal estrecho nos permite enviar pocos baudios, pero de acuerdo con la ley de Shannon la elevada relación señal/ruido permitirá enviar muchos bits por baudio. En el caso de DS tenemos una señal de banda ancha pero de baja intensidad, lo cual nos dará una relación señal/ruido pequeña. Según el teorema de Nyquist tenemos ahora posibilidad de enviar muchos baudios, pero la ley de Shannon nos dice que con una relación señal/ruido pequeña podremos enviar pocos bits por baudio. En principio podríamos pensar que ambas aproximaciones darían lugar a velocidades de transmisión similares. Aunque esto era así en la especificación inicial de 802.11 (tanto FHSS como DSSS llegaban a velocidades de 2 Mb/s) las técnicas de codificación más recientes, utilizadas en 802.11g, han situado en clara ventaja a los sistemas DSSS, que llegan a velocidades de hasta 54 Mb/s. Frequency Hopping Direct Sequence Señal concentrada, gran intensidad Elevada relación S/R Área bajo la curva: 100 mW Señal dispersa, baja intensidad Reducida relación S/R Área bajo la curva: 100 mW Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Canales 802.11b DSSS a 2,4 GHz Canal Frecuencia central (MHz) Región ITU-R o país América EMEA Japón Israel China 1 2412 X - 2 2417 3 2422 4 2427 5 2432 6 2437 7 2442 8 2447 9 2452 10 2457 11 2462 12 2467 13 2472 14 2484 Esta tabla muestra la relación de canales que se definen en la banda de 2,4 GHz para su uso en DSSS. Hasta fechas recientes (aproximadamente el año 2001) España y Francia tenían una normativa más restrictiva que el resto de Europa en lo que se refiere a los canales DSSS, de forma que sólo era posible utilizar dos canales (concretamente en el caso español los canales 10 y 11). Aunque los equipos que se comercializan actualmente en España ya permiten utilizar los 13 canales autorizados en Europa los equipos antiguos solo permiten utilizar los canales 10 y 11, y el firmware no puede actualizarse para que puedan trabajar en los canales europeos. Esto puede dar lugar a problemas de compatibilidad cuando se mezclan equipos nuevos y antiguos en una misma red, ya que puede que los equipos nuevos elijan funcionar en un canal que no esté disponible para los equipos antiguos. Anchura de canal: 22 MHz EMEA: Europa, Medio Oriente y África Ampliación Redes

Reparto de canales DSSS a 2,4GHz Redes Inalámbricas y Movilidad Reparto de canales DSSS a 2,4GHz Canal  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 5 10 4 9 2,4000 GHz 3 8 13 2,4835 GHz 2 7 12 1 6 11 14 1 7 13 Europa (canales 1 a 13) Esta figura muestra la división en canales de la banda de 2,4 GHz para DSSS. Cada canal está desplazado 5 MHz respecto al anterior (excepto el canal 14) y tiene una anchura de 22 MHz, por lo que los canales contiguos se solapan. Si se requieren canales completamente separados en Europa se recomienda emplear el 1, el 7 y el 13. En EEUU y Canadá se deben utilizar el 1, el 6 y el 11 pues el 12, 13 y 14 no están permitidos. El uso de diferentes canales no solapados (como el 1, el 7 y el 13) permite constituir en una misma área redes inalámbricas completamente independientes, por ejemplo para aumentar el rendimiento. 1 6 11 EEUU y Canadá (canales 1 a 11) 22 MHz Ampliación Redes

Canales DSSS simultáneos Redes Inalámbricas y Movilidad Canales DSSS simultáneos Si se quiere utilizar más de un canal en una misma zona hay que elegir frecuencias que no se solapen. El máximo es de tres canales: EEUU y Canadá: canales 1, 6 y 11 Europa: canales 1, 7 y 13 Japón: solo se puede utilizar el canal 14 Francia y España tenían hasta hace poco (2001) normativas más restrictivas en frecuencias, que no permitían más que un canal no solapado Con diferentes canales se pueden constituir LANs inalámbricas independientes en una misma zona Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Banda de 5 GHz (802.11a) Para 802.11a el IEEE ha elegido la banda de 5 GHz, que permite canales de mayor ancho de banda Un equipo 802.11a no puede interoperar con uno 802.11b. La parte de radio es completamente diferente En EEUU la FCC ha asignado esta banda para 802.11a En Europa esta banda se asignó hace tiempo a HIPERLAN/2, WLAN de alta velocidad estandarizada por ETSI (European Telecommunications Standards Institute) poco utilizada en la práctica. La aprobación de 802.11a en Europa está pendiente de realizar modificaciones que le permitan coexistir con HIPERLAN/2 Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Canales 802.11a a 5 GHz Canal Frecuencia central (MHz) Región ITU-R o país América Japón Singapur Taiwan 34 5170 - I 36 5180 38 5190 40 5200 42 5210 44 5220 46 5230 48 5240 52 5260 I/E 56 5280 60 5300 64 5320 149 5745 153 5765 157 5785 161 5805 I: Uso interiores E: Uso exteriores Anchura de canal: 20 MHz Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Interferencias Externas: Bluetooth interfiere con FHSS (usan la misma banda). Interfiere menos con DSSS. Los hornos de microondas (funcionan a 2,4 GHz) interfieren con FHSS. También hay reportadas interferencias entre hornos de microondas y 802.11 FHSS(misma banda). A DSSS no le afectan. Otros dispositivos que funciona en 2,4 GHz (teléfonos inalámbricos, mandos a distancia de puertas de garage, etc.) tienen una potencia demasiado baja para interferir con las WLANs En los sistemas por infrarrojos la luz solar puede afectar la transmisión Internas (de la propia señal): Debidas a multitrayectoria (rebotes) Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Interferencia debida a la multitrayectoria Se produce interferencia debido a la diferencia de tiempo entre la señal que llega directamente y la que llega reflejada por diversos obstáculos. La señal puede llegar a anularse por completo si el retraso de la onda reflejada coincide con media longitud de onda. En estos casos un leve movimiento de la antena resuelve el problema. FHSS es más resistente a la interferencia multitrayectoria que DSSS. Pero hoy en día este problema se resuelve con antenas diversidad La interferencia debida a la multitrayectoria afecta de forma importante a las emisiones de radio. El problema se debe a que la onda electromagnética no solo llega al receptor en línea recta, sino que también llega reflejada por objetos sólidos presentes entre el emisor y el receptor. Dependiendo de la ubicación concreta de uno y otro (mas concretamente de sus antenas) la onda reflejada puede o no llegar al receptor. Si llega el receptor tendrá problemas pues la onda reflejada, al hacer un camino más largo, llega más tarde por lo que no coincide con la onda original. Normalmente la onda recibida directamente es más intensa, pero a menudo la onda reflejada no tiene una intensidad despreciable por lo que es percibida como una molesta interferencia por el receptor. A menudo pequeñas variaciones en la ubicación de la antena del emisor o del receptor provocan cambios significativos, para bien o para mal, en la cantidad de interferencia recibida como consecuencia de la multitrayectoria. Este fenómeno se puede observar claramente a veces cuando oímos la radio de FM en un coche en la cola de un semáforo: en ocasiones observamos como pequeñas variaciones de 2 ó 3 metros en la ubicación del coche tienen efectos dramáticos en la calidad de la señal de radio recibida de una emisora; sin embargo para otra emisora el comportamiento puede ser diferente. Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Antenas diversidad El equipo (normalmente un punto de acceso) tiene dos antenas. El proceso es el siguiente: El equipo recibe la señal por las dos antenas y compara, eligiendo la que le da mejor calidad de señal. El proceso se realiza de forma independiente para cada trama recibida, utilizando el preámbulo (128 bits en DSSS) para hacer la medida Para emitir a esa estación se usa la antena que dió mejor señal en recepción la última vez Si la emisión falla (no se recibe el ACK) cambia a la otra antena y reintenta Las dos antenas cubren la misma zona Al resolver el problema de la interferencia multitrayectoria de DSSS el uso de FHSS ha caído en desuso Las antenas diversidad son una aportación reciente a las LANs inalámbricas para reducir los problemas producidos por la multitrayectoria. Normalmente se implementan en los puntos de acceso ya que estos dispositivos se encuentran en comunicación con todas las estaciones de la red. La antena diversidad consiste en dos antenas reales que se conectan por separado al receptor de radio. Cuando el equipo recibe una trama prueba a utilizar ambas antenas y elige la que considera más conveniente. El sondeo se realiza mientras recibe el preámbulo de la trama, que por ejemplo en el caso de DSSS tiene una longitud de 128 bits (que a 11 Mb/s equivale a 11,6 microsegundos). Cuando ha de emitir una trama a una estación el emisor no puede saber cual de las dos antenas es la más adecuada. En este caso se utiliza la antena que dió mejor calidad la última vez que se recibió una trama de dicha estación. Si la emisión falla se reintenta enviando la trama por la otra antena. Es importante observar que las dos antenas de una antena diversidad cubren la misma zona, no se pueden utilizar para cubrir zonas diferentes. Puede resultar sorprendente como una diferencia de unos centímetros puede suponer una diferencia significativa en el efecto multitrayectoria de la señal recibida o emitida por una antena diversidad, cuando en el caso de una emisión de FM hacía falta mover el coche algunos metros. Pero debemos tener en cuenta que la longitud de onda de una emisión de FM es de unos 3 m, mientras que la longitud de onda de las emisiones de 2,4 GHz es de 12,5 cm. Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad LANs Inalámbricas Comparación tecnologías, historia y Modelo de referencia Nivel físico Nivel MAC Ejemplos de aplicación Puentes inalámbricos Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Red ‘ad hoc’ o BSS (Basic Service Set) PC portátil Para que los portátiles puedan salir a Internet este PC puede actuar de router 147.156.2.2/24 PC de sobremesa 147.156.2.1/24 Tarjeta PCI Internet 147.156.1.15/24 PC portátil 147.156.2.3/24 Tarjeta PCMCIA El caso más sencillo de red inalámbrica es el que se constituye cuando se colocan físicamente próximos varios computadores dotados de tarjeta de red inalámbrica. En este caso cada computador se comunica con los demás directamente. Al ser un medio broadcast cada trama es recibida por todos los computadores (por todos los que se encuentren dentro del rango de alcance del emisor). A nivel IP la numeración deberá corresponder a una red, es decir todos los computadores deberán configurarse con una dirección IP que tenga un prefijo común. Eventualmente uno de los computadores podría tener además una tarjeta de red Ethernet, por ejemplo, y actuar como router para el resto, de forma que pudieran salir a Internet a través de el. En ese caso habría que definirle como router por defecto para el resto. Las tramas se transmiten directamente de emisor a receptor PC portátil 147.156.2.4/24 Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Protocolo MAC de 802.11 El protocolo MAC utiliza una variante de Ethernet llamada CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Colision Avoidance) No puede usarse CSMA/CD porque el emisor de radio una vez empieza a transmitir no puede detectar si hay otras emisiones en marcha (no puede distinguir otras emisiones de la suya propia) El protocolo MAC de 802.11 está inspirado en el CSMA/CD de Ethernet. Esta es probablemente la razón por la que en ocasiones se hace referencia a las redes 802.11 como ‘Ethernets inalámbricas’. Sin embargo las redes inalámbricas no puede usar el protocolo CSMA/CD debido a que es muy difícil que un emisor de radio detecte otra emisión en curso en el mismo canal en el que está emitiendo. Por tanto el CD (Colision Detect) de Ethernet se ha cambiado por CA (Colision Avoidance). Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Protocolo CSMA/CA Cuando una estación quiere enviar una trama escucha primero para ver si alguien está transmitiendo. Si el canal está libre la estación transmite Si está ocupado se espera a que el emisor termine y reciba su ACK, después se espera un tiempo aleatorio (siempre superior a un mínimo prefijado) y transmite. El tiempo en espera se mide por intervalos de duración constante Al terminar espera a que el receptor le envíe una confirmación (ACK). Si esta no se produce dentro de un tiempo prefijado considera que se ha producido una colisión, en cuyo caso repite el proceso desde el principio El envío de mensajes de confirmación (ACK) para cada trama recibida es algo que incorpora el protocolo MAC de 802.11, ya que las redes de radio con equipos móviles son poco fiables, y era necesario implementar a bajo nivel un mecanismo que asegurara la recepción de la información. El envío de los ACK debe realizarse de forma rápida y ágil, ya que de lo contrario se puede incurrir en un retardo excesivo hasta que se produzca el reenvío de la trama. Para evitar que el receptor tenga que competir con cualquier otra estación en el envío de la confirmación el envío de la trama de ACK puede hacerse sin esperar el tiempo reglamentario de 50 ms después de haya terminado la emisión de la trama en curso. Los ACK pueden (y deben) ser enviados tan solo 10 ms después de haber recibido la trama de datos. Ampliación Redes

Algoritmo de retroceso de CSMA/CA Redes Inalámbricas y Movilidad Algoritmo de retroceso de CSMA/CA DIFS (50ms) SIFS (10ms) Emisor (A) Trama de Datos Receptor (B) ACK DIFS Segundo emisor (C) Trama de Datos Esta figura muestra como funciona el protocolo CSMA/CA en 802.11. Supongamos que una estación (A) desea transmitir una trama hacia B y detecta que el canal está libre. A espera el tiempo DIFS (50 ms) y a continuación empieza a transmitir. De esta forma se asegura que cualquier trama emitida en la red irá separada de la anterior al menos por este espacio de tiempo. Una vez ha terminado de emitir su trama A espera una confirmación (ACK) de B. Dicha confirmación es un mensaje de alta prioridad, por lo que no ha de esperar el tiempo habitual (DIFS) después de que termine la trama de A, sino que solo ha de esperar el tiempo SIFS (10 ms). Durante el tiempo SIFS B ha calculado y comprobado que el CRC de la trama que ha recibido de A es correcto. En algún momento durante la emisión de la trama de A C desea enviar una trama a D (no mostrado en la figura). Como detecta que el canal está ocupado C espera, y cuando se produce el ACK de B C sigue esperando, ya que no se ha llegado a producir una pausa lo bastante grande (50 ms) en ningún momento. Cuando por fin termina el ACK de B C empieza a contar el tiempo y cuando pasan 50 ms (DIFS) sabe que el canal está libre. Entonces no transmite de inmediato sino después del tiempo aleatorio que ha calculado. Esto reduce el riesgo de colisión con otras estaciones que pudieran también estar observando el proceso de A y B y esperando para transmitir a continuación. Si durante el tiempo aleatorio C detecta que alguna estación transmite congelará su contador de tiempo aleatorio para volver a activarlo 50 ms (DIFS) después de que haya cesado toda actividad. Tiempo de retención (Carrier Sense) Tiempo aleatorio DIFS: DCF (Distributed Coordination Function) Inter Frame Space SIFS: Short Inter Frame Space Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Espaciado entre tramas en 802.11 Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Colisiones Pueden producirse porque dos estaciones a la espera elijan el mismo número de intervalos (mismo tiempo aleatorio) para transmitir después de la emisión en curso. En ese caso reintentan ampliando exponencialmente el rango de intervalos y vuelven a elegir. Es similar a Ethernet salvo que las estaciones no detectan la colisión, infieren que se ha producido cuando no reciben el ACK esperado También se produce una colisión cuando dos estaciones deciden transmitir a la vez, o casi a la vez. Pero este riesgo es mínimo. Para una distancia entre estaciones de 70m el tiempo que tarda en llegar la señal es de 0,23 s Cuando una estación ha emitido una trama y no ha recibido el correspondiente ACK deduce que se ha producido una colisión. En este caso la estación repite el proceso antes descrito, pero al tratarse de un segundo intento esta vez se amplía el rango de intervalos para la elección del tiempo aleatorio. De forma análoga a lo que ocurre en Ethernet el número de intervalos crece de forma exponencial hasta un valor máximo a partir del cual el contador se reinicia y el proceso se repite desde el principio. Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Fragmentación En el nivel MAC de 802.11 se prevé la posibilidad de que el emisor fragmente una trama para enviarla en trozos más pequeños Por cada fragmento se devuelve un ACK por lo que en caso necesario es retransmitido por separado. Si el emisor ve que las tramas no están llegando bien puede decidir fragmentar las tramas grandes para que tengan mas probabilidad de llegar al receptor La fragmentación permite enviar datos en entornos con mucho ruido, aun a costa de aumentar el overhead Todas las estaciones están obligadas a soportar la fragmentación en recepción, pero no en transmisión Muchas de las interferencias que se producen en las transmisiones por radio afectan la emisión en intervalos muy cortos de tiempo. En estos casos la transmisión de tramas grandes resulta especialmente comprometida, pues el riesgo de que una interferencia estropee toda la emisión es muy grande. En situaciones de elevada tasa de error del medio físico es preferible manejar tramas de pequeño tamaño. Sin embargo el nivel de red, que no tiene un conocimiento de la situación de la red inalámbrica, suministra el paquete al nivel de enlace para que lo envíe en una única trama. Por este motivo el nivel MAC de 802.11 prevé un mecanismo por el cual el emisor puede, si lo considera conveniente, fragmentar la trama a enviar en otras más pequeñas. El receptor a su vez reensamblará la trama original para que sea entregada a los niveles superiores, con lo que la fragmentación actuará de forma transparente a ellos. En el caso de producirse fragmentación cada fragmento se enviará siguiendo el mecanismo de CSMA/CA antes descrito, y recibirá el correspondiente ACK del receptor. El overhead que puede introducir el uso de la fragmentación es considerable, pero puede ser rentable cuando la red tiene mucho ruido. Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Envío de una trama fragmentada La separación entre ‘Frag n’ y ACK es de 10 ms (SIFS). De esta forma las demás estaciones (C y D) no pueden interrumpir el envío. Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad El problema de la estación oculta Alcance de B Alcance de A Alcance de C Tr. 1 Tr. 2 A B C 3 70 m 70 m El problema de la estación oculta es una consecuencia del hecho de que en una red inalámbrica no todas las estaciones tienen por que ver a todas las demás. Esto provoca situaciones problemáticas como la que aparece en la figura. Supongamos que A quiere enviar una trama a B. A detecta que el canal está libre y empieza a transmitir. Instantes más tarde, cuando A está aún transmitiendo, C quiere también enviar una trama a B; C detecta que el canal está libre, ya que el no está recibiendo la emisión de A pues se encuentra fuera de su radio de cobertura. Por tanto C empieza a transmitir y en B se produce una colisión. Como consecuencia B no recibe correctamente ni la trama de A ni la de C. 1: A quiere transmitir una trama a B. Detecta el medio libre y transmite 3. Se produce una colisión en la intersección por lo que B no recibe ninguna de las dos tramas 2: Mientras A está transmitiendo C quiere enviar una trama a B. Detecta el medio libre (pues no capta la emisión de A) y transmite Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Solución al problema de la estación oculta 3: Debo estar callado durante los próximos 500 bytes 1: RTS: Quiero enviar a B una trama de 500 bytes 2: CTS: de acuerdo A, envíame esa trama de 500 bytes que dices A B C RTS CTS CTS Tr. 4 La solución que normalmente se aplica al problema de la estación oculta se basa en el intercambio entre emisor y receptor de dos mensajes previos al envío de la trama. El emisor (A) envía un mensaje RTS (Request To Send) a B en el que le advierte de su deseo de enviarle una trama; además en dicho mensaje A le informa de la longitud de la misma. Este mensaje no es recibido por C. Como respuesta al mensaje de A B envía un CTS (Clear To Send) en le que le confirma su disposición a recibir la trama que A le anuncia. Dicho mensaje CTS lleva también indicada la longitud de la trama que B espera recibir de A. C no recibe el mensaje RTS enviado por A, pero sí recibe el CTS enviado por B. Del contenido del mensaje CTS C puede deducir por cuanto tiempo estará ocupado el canal que comparte con B, pues el mensaje incluye indicación de la longitud de la trama a transmitir y C conoce la velocidad con que se realiza la transmisión. 1: Antes de transmitir la trama A envía un mensaje RTS (Request To Send) 2: B responde al RTS con un CTS (Clear To Send) 3. C no capta el RTS, pero sí el CTS. Sabe que no debe transmitir durante el tiempo equivalente a 500 bytes 4. A envía su trama seguro de no colisionar con otras estaciones Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad RTS/CTS El uso de mensajes RTS/CTS se denomina a veces Virtual Carrier Sense Permite a una estación reservar el medio durante una trama para su uso exclusivo Si todas las estaciones se ‘escuchan’ directamente entre sí el uso de RTS/CTS no aporta nada y supone un overhead importante, sobre todo en tramas pequeñas No todos los equipos soportan el uso de RTS/CTS. Lo que lo soportan permiten indicar en un parámetro de configuración a partir de que tamaño de trama se quiere utilizar RTS/CTS. También se puede deshabilitar por completo su uso, cosa bastante habitual Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Detección virtual de portadora por medio de RTS/CTS RTS Datos Emisor: A CTS ACK Receptor: B No disponible C No disponible D Tiempo: C y B están en el área de cobertura de A, pero D no. En cambio D está en el área de cobertura de B. C A B D Ampliación Redes

Redes Inalámbricas y Movilidad Red con un punto de acceso La comunicación entre dos estaciones siempre se hace a través del punto de acceso, que actúa como un puente PC táctil PC portátil 147.156.1.22/24 147.156.1.23/24 Punto de acceso (AP) PDA PC de sobremesa 147.156.1.24/24 147.156.1.21/24 147.156.1.1/24 Hasta ahora en los ejemplos solo habíamos visto computadores con tarjetas LAN inalámbricas. Ahora incorporamos un nuevo elemento que denominamos Punto de Acceso o AP. Un AP es un dispositivo diseñado específicamente para constituir una LAN inalámbrica. Los puntos de acceso son a menudo los dispositivos que permiten integrar una LAN inalámbrica con una LAN convencional. Cuando aparece en escena un AP las reglas del juego cambian de manera drástica. Las estaciones en cuanto descubren que se encuentran dentro del radio de cobertura de un AP se registran en el para que les tome en cuenta. La comunicación entre estaciones registradas en un AP nunca se realiza de forma directa sino que siempre tiene lugar a través del AP, que actúa como intermediario en cualquier comunicación. Esto tiene la consecuencia de que las comunicaciones entre las estaciones se hacen siempre en dos pasos y ocupando dos veces el medio inalámbrico, pero no es un problema si la mayoría del tráfico va dirigido a la LAN convencional. Una ventaja del uso de AP es que la existencia de estaciones ocultas ya no es un problema, puesto que la comunicación se realiza a través del AP que siempre esta (y debe estar) visible para todas las estaciones. Internet PC de sobremesa PC portátil 147.156.1.25/24 147.156.1.20/24 Ampliación Redes